Автотрофные и гетеротрофные организмы

Определения и обозначения

Автотрофные организмы — организмы, синтезирующие органические вещества из неорганических. Энергию для этого они получают от света или от химических реакций окисления неорганических соединений. Такой способ питания позволяет создавать органическое вещество, которое затем используют сами автотрофы и другие организмы.

Гетеротрофные организмы — организмы, получающие готовые органические вещества с пищей или поглощая органические соединения из окружающей среды. Они используют эти вещества как источник углерода и для построения собственных клеток. Поэтому питание гетеротрофов связано с органическим веществом, созданным другими организмами.

Фотосинтез — синтез органических веществ из углекислого газа и воды с использованием энергии света. Свет улавливают пигменты, прежде всего хлорофилл. Фотосинтез помогает растениям и другим фотосинтезирующим организмам запасать энергию в химических связях органических веществ.

Хемосинтез — синтез органических веществ за счёт энергии, выделяющейся при окислении неорганических соединений. Его выполняют некоторые бактерии, которым не нужен свет как источник энергии. Это определение показывает, что автотрофное питание возможно и там, где фотосинтез не происходит.

Как это устроено

Чтобы собрать органические вещества, автотрофам нужны исходные материалы и энергия. Углекислый газ поставляет углерод, вода участвует в реакциях, а минеральные соли дают элементы, необходимые клетке для создания разных соединений. Но сами вещества не соединятся в сложные молекулы без затрат энергии, поэтому автотрофам необходим её внешний источник.

При фотосинтезе световая энергия превращается в химическую: она используется для образования органических веществ, в которых энергия сохраняется. Хлорофилл поглощает свет определённых длин волн и запускает связанные с этим превращения. В растительных клетках фотосинтез идёт в хлоропластах, где находятся хлорофилл и необходимые клеточные структуры; поэтому без них растение не может эффективно использовать свет для синтеза.

Хемосинтезирующие бактерии получают энергию не от света, а при окислении неорганических веществ. Одни окисляют аммиак, другие — сероводород, водород или соединения железа; некоторые используют и другие подходящие вещества. Высвободившаяся энергия позволяет им образовывать органические соединения из неорганических, поэтому они могут жить в среде, где света недостаточно.

Гетеротрофы зависят от готовых органических веществ, потому что не могут самостоятельно создавать их из неорганических в количестве, достаточном для питания и построения организма. Животное получает такие вещества, поедая пищу, а гриб может поглощать растворённые органические соединения. Полученные молекулы клетки используют для роста и получения энергии, но исходное органическое вещество должно поступить извне.

Автотрофы и гетеротрофы связаны обменом веществ и энергии. Автотрофы создают органику, которой питаются травоядные и другие гетеротрофы, а остатки и продукты жизнедеятельности могут перерабатывать редуценты. Так органические вещества переходят по пищевым цепям, а после разложения часть элементов возвращается в неорганическую среду и снова становится доступной продуцентам.

Сравнение автотрофных и гетеротрофных организмов

Сначала определите, откуда организм получает углерод: из углекислого газа или готовой органики. Затем установите источник энергии — свет, химическая реакция или органическая пища. Такой порядок помогает различать фотосинтез, хемосинтез и гетеротрофное питание, даже если перед вами незнакомый организм.

Разбор задач

1. Тип питания берёзы, волка, зелёной эвглены и нитрифицирующих бактерий

Условие. Нужно определить тип питания четырёх организмов. Важно учитывать не только название организма, но и способ получения им органических веществ. Для каждого примера проверим источник вещества и источник энергии.

1. Берёза содержит хлорофилл и синтезирует органику из углекислого газа и воды при освещении. Значит, она фотоавтотроф.
2. Волк получает органические вещества, поедая животных. Следовательно, он гетеротроф, а точнее — консумент.
3. Зелёная эвглена на свету фотосинтезирует, поэтому в данных условиях питается автотрофно. Она также способна получать готовые органические вещества, так что её питание может быть смешанным.
4. Нитрифицирующие бактерии получают энергию при окислении аммиака и используют её для синтеза органики. Это хемоавтотрофное питание.

Ответ. Берёза — фотоавтотроф, волк — гетеротроф, зелёная эвглена — фотосинтезирующий организм, способный также к гетеротрофному питанию, нитрифицирующие бактерии — хемоавтотрофы. Не следует определять тип питания только по тому, является ли организм растением или животным. Решающее значение имеет способ получения органических веществ.

2. Распределение организмов по группам питания

Условие. Распределите цианобактерии, грибы, животных, серобактерии, зелёные растения и паразитические бактерии. Для решения выясним, какие организмы синтезируют органику из неорганических веществ. Затем отличим использование света от использования энергии окисления.

1. Цианобактерии используют энергию света для фотосинтеза, поэтому их относят к фотоавтотрофам. Зелёные растения также являются фотоавтотрофами.
2. Серобактерии, окисляющие соединения серы, могут получать энергию химическим путём. Если они синтезируют органику из неорганических веществ, это хемоавтотрофы.
3. Грибы и животные получают органические вещества в готовом виде, поэтому относятся к гетеротрофам. Паразитические бактерии используют вещества организма-хозяина и тоже являются гетеротрофами.

Ответ. К фотоавтотрофам относят цианобактерии и зелёные растения, к хемоавтотрофам — хемосинтезирующие серобактерии. Грибы, животные и паразитические бактерии — гетеротрофы. При классификации бактерий важно учитывать особенности конкретной группы: не всякая бактерия питается одинаково.

3. Пищевая цепь «трава — кузнечик — лягушка — уж»

Условие. Требуется определить тип питания и роль каждого участника цепи. Стрелки показывают направление передачи органического вещества и энергии: от того, кого съели, к тому, кто съел. Начнём с организма, который создаёт органику самостоятельно.

1. Трава фотосинтезирует и образует органические вещества, поэтому это автотроф и продуцент. Она занимает первый трофический уровень.
2. Кузнечик питается травой, значит, он гетеротроф-консумент первого порядка. Лягушка питается кузнечиком и выступает консументом второго порядка.
3. Уж поедает лягушку, поэтому он гетеротроф-консумент третьего порядка. Каждый следующий потребитель зависит от органического вещества, созданного травой.

Ответ. Трава — продуцент, кузнечик — консумент первого порядка, лягушка — второго, уж — третьего. Все животные в этой цепи гетеротрофны, но занимают разные трофические уровни. Без автотрофа в начале цепи у них не было бы первичного источника органического вещества.

Типичные ошибки

Считать всех бактерий гетеротрофами неверно: среди них есть организмы, использующие свет или энергию окисления неорганических веществ. Такое обобщение возникает, если ориентироваться на то, что бактерии не похожи на растения. Проверяйте способ питания конкретной группы, а не только принадлежность к бактериям.

Отождествлять автотрофное питание только с фотосинтезом — значит не учитывать хемосинтез. Обычно вспоминают растения и солнечный свет, поэтому химический источник энергии остаётся незамеченным. Спросите себя, может ли организм синтезировать органику без света, используя энергию окисления неорганических соединений.

Называть растения полностью автотрофными — чрезмерное упрощение: некоторые из них могут дополнительно получать органические вещества от других организмов. Ошибка появляется, когда особенность большинства растений переносят на каждое растение и все условия. Уточняйте, как питается конкретный вид и является ли автотрофный способ единственным.

Нельзя путать источник энергии с источником вещества: свет или энергия химических реакций не заменяют углекислый газ, воду и минеральные соли. Путаница возникает, когда все условия синтеза называют одним словом «питание». Для самопроверки отдельно назовите, откуда берутся атомы углерода и откуда поступает энергия.

Связь с другими темами

Для понимания темы пригодятся знания о химическом составе клетки, различиях органических и неорганических веществ, строении растительной клетки и роли хлоропластов. Эти понятия помогают разобраться, из каких материалов строится органика и как клетка использует энергию. Далее тема связана с фотосинтезом, круговоротом веществ, экосистемами, пищевыми цепями и трофическими уровнями. В экологии автотрофы выступают продуцентами, а гетеротрофы — консументами и редуцентами.

Что запомнить

• Автотрофы создают органические вещества из неорганических.
• Фотосинтез использует энергию света.
• Хемосинтез использует энергию окисления неорганических веществ.
• Гетеротрофы получают органические вещества в готовом виде.
• Растения, водоросли и некоторые бактерии могут быть автотрофами.
• Животные, грибы и большинство бактерий являются гетеротрофами.
• Автотрофы служат основным источником органического вещества и энергии для большинства пищевых цепей.